矿山地下开采面采空区地球物理探测技术方法的应用

凌 飞

（新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第九地质大队，新疆 乌鲁木齐 830000）

随着我国采矿业的不断发展，重注经济发展，忽略了可持续发展，导致很多区域形成了大量的采空区。这些采空区存在着巨大隐患，可能导致大面积的地表沉陷，造成地面建筑物、基础设施等损坏，以致于影响到矿区人民的稳定生活[1]。这个问题已经多次被警示，为了缓解和改善采空区现状，各地区开采前要及时的进行探测，有效避免可能引起灾害性的地质现象。本文研究的地球物理探测方法有着高效、低损耗的优势。根据各个区域的地质概况，地球物理探测技术的选择适宜性也各不相同。从各采空区的地质特征探析、对比，选择最合适的方法。声波探测法以及高密度电法进行探测，此两种方法使用都较为方便，且效率较高，并且在探测过程中，不会对被测岩体造成伤害。

1 矿山地下开采面采空区的探测

1.1 地球物理探测技术探测是否存在采空区

对于矿山的地下开采面的采空区，可以使用地球物理探测技术的声波探测法进行探测，由于声波速度是反映当前地层构成岩土的物理力学性质的重要参数指标是，所以可以利用声波速度的差别来探查目前地下开采面是否存在着采空区[2]。关于声波探测法的流程如图1所示。

图1 声速测井原理图

如图1所示，在声速仪中装有声波的发射装置以及声波接收装置，当声波在发生装置中发射后，将会首先通过耦合液并且射向孔壁，同时加载岩层形成透射波，而一部分将会反射回来，并且沿着临界角回射时将会形成滑行波。而接收装置接收的也是反射回的滑行波。而声波在与岩体中的传播速度具有一定的传播规律。其波动会随着不同方向进行传播，而声波在岩体中的传播，传播时会出现波的透射、折射与以及反射的情况出现。而声波的各种传播反映，往往与传播岩石的应力状态以及其结构存在关系，以此可以探测目前传播位置是否存在问题。

表1 常见介质及岩石的纵波速度

而声波的传播同岩体的参数关系表现存在三种情况。首先是当前声波的传播速度与传播的岩体的弹性模型存在一定关系，可以依据声波传输时的纵波来对于该岩体的压缩以及拉伸形变进行分析。其次岩体的单轴压力也与声波的波速存在一定规则，岩石的应力越大，声波传输时的波速也就越大，但如果岩石受到的力过大导致岩体遭到破坏，声波的波速也会随之减少。最后单轴的抗压强度也与声波的波速存在一定的相关性，抗压强度高时波速也会变大。而如果要探测矿山的地下开采面的采空区，就要首先对于该被测地区的常见的介质的纵波速度有着一定的了解，关于常见介质和岩石中的声波的纵波速度如表1。

转孔声波探测是通过探测声波在被测地层中的不同纵波速度，以此来判断地层中的岩石的物质成分、结构的不同，也可以来探测其岩石的密度、表面的破碎程度、裂隙等其它情况。而在测试中存在一些因素可能会影响探测效果，如源距以及间距中存在的影响。需要对于最小源距有着一定的运算，同时要将源距设置为最小源距稍大的源距即可满足要求。

在（1）公式中，运算结果Lmin表示最小源距，S表示发射器与井壁之间的距离，V1代表泥浆的波速，V2则代表此岩层的波速。通过确认当前矿山地下的岩体情况，可以大致确定其采空区是否存在。

1.2 地球物理探测技术对采空区范围探测

使用高密度电法对于当前被测的矿山开采地区进行探测，而高密度电法的特点与传统的电阻法大概相同[3]。但弥补了常规电阻中的各种不足，同时因常规电阻法中存在着各种观测的限制，以及测量的数据较少等问题。在采用高密度电法在工作时，使用数十根电极一次布设，同时通过程控式的多路电极转换对于不同的电极方法以及不同的基于间隔以方便数据的快速收集。

在对于其施加的外电场作用下的传导电路分布情况是对于目标的电性性质为基础的地球物理勘探技术，在求解时采用解析法。

在对于目前的高密度电法的定边界条件来说，需要求出（2）式中的解，其中x0、y0、t0作为该布设点中的源点坐标，而x、y、t代表此次布设中的场点坐标。而当x≠x0、y≠y0、t≠t0的情况下，该公式将会变为：

通过解析的方法可以计算相关的地电模型，同时研究其分布情况时，则可以运用多种的模拟方法比如：积分方程法、有限单元法等。在采用高密度电法进行探测是，通过供电电源流入电流，如下所示。

（4）以及（5）式中，A与B分别为供电电极，而I代表供入的电流，测量电极为M、N。并根据其可以测量出电位差∇U并计算电阻率。UM以及UN分别代表地表的两个测量电极M、N的电位。ρ代表均匀大地电阻率。AM、BM、AN、BN各表示A、B和M、N之间的距离。并且可以根据上两式相减并得到M、N之间的电位差，电位差计算公式为：

根据（6）公式可以，确定该高密度电法探测中的电位差值。并且通过装置系数，可以探测该地区的电阻率，而所得到的电阻率为电气电场有限范围中地形的各种地质体电阻率。而野外的数据采集也是高密度电法工作中较为重要的工作，而对于矿山地下开采面的首先要分析和研究被探测的对象的物理性质，对于探测地层来说厚度以及其异常体的体积和埋深的比值要进行充分了解。并做好充足的准备。通过对于矿山开采面采空区的探测，来避免可能出现的灾害性地质情况。

2 实验论证分析

对于目前的矿山地下开采面的采空区的探测技术进行对比实验，使用本文方法与传统方法的氡气测量方法进行对比实验，模拟多种地质情况来进行多次实验尝试，并且对比两者在探测采空区情况的准确度进行对比。实验结果如下图所示。

图2 采空区探测方法对比图

如图2所示，本文设计的采空区探测方法误差率更高，而传统方法在不同地质情况下有着局限性，在4号实验地区较为适用，但误差率仍高于本文方法，而其它地区适用性较低，导致误差率过高。通过实验证明本文设计的采空区探测方法对比传统方法适用性更高，且对于采空区的探测准确度更高。

3 结语

综上所述，对于矿山地下开采面采空区地球物理探测技术方法的应用，详细的介绍了两种地球物理探测技术在采空区探测工作中的应用。首先是使用声波探测法，来判断当前地下是否存在着矿山采空区，其次使用高密度电法来对于采空区的范围进行探测。经过实验论证分析，证明本文方法更加适用于各类地质，并且准确性更高。